Erstmals wurde ein ungewöhnlicher Quantenzustand der Materie beobachtet

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Probe eines frustrierten Cermagneten, m2Zr2a7Entworfen im Labor von Andrea Bianchi. Bildnachweis: Universität Montreal

Nicht jeden Tag vergeht ein neuer Materiezustand in der Quantenphysik, dem Wissenschaftsgebiet, das sich der Beschreibung des Verhaltens atomarer und subatomarer Teilchen widmet, um ihre Eigenschaften aufzuklären.

Genau das tat jedoch ein internationales Forscherteam, darunter Andrea Bianchi, Physikprofessor an der Universität von Montreal und Forscher bei Regroupement québécois sur les matériaux de pointe, und seine Studenten Avner Vetterman und Jeremy Dudmayne.

In einem kürzlich in der wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlichten Artikel X. Körperliche ÜberprüfungIn dieser Studie dokumentierten die Forscher einen „sich drehenden Quantenflüssigkeits-Grundzustand“ in einem magnetischen Material, das in Bianchis Labor hergestellt wurde: Ce.2Zr2a7Es ist eine Verbindung aus Cerium, Zirkonium und Sauerstoff.

Wie eine Flüssigkeit, die in einem sehr kalten Feststoff eingeschlossen ist

In der Quantenphysik ist Spin eine interne Eigenschaft von Elektronen, die mit ihrem Spin zusammenhängt. Es ist die Rotation, die dem Material im Magneten seine magnetischen Eigenschaften verleiht.

In einigen Materialien führt der Spin zu einer unorganisierten Struktur ähnlich der von Molekülen in einer Flüssigkeit, daher der Ausdruck “Spin-Fluid”.

Im Allgemeinen wird eine Substanz mit steigender Temperatur desorganisiert. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn Wasser zu Dampf wird. Das Hauptmerkmal zirkulierender Flüssigkeiten ist jedoch, dass sie auch bei Abkühlung auf den absoluten Nullpunkt (-273 °C) unstrukturiert bleiben.

Spinflüssigkeiten bleiben ungeregelt, da die Richtung des Spins weiterhin schwankt, wenn das Material abkühlt, anstatt sich wie bei einem herkömmlichen Magneten, bei dem alle Spins ausgerichtet sind, in den festen Zustand zu begeben.

Die Kunst der „frustrierten“ Elektronen

Stellen Sie sich vor, dass das Elektron ein kleiner Kompass ist, der entweder nach oben oder nach unten zeigt. In herkömmlichen Magneten drehen sich alle Elektronen in die gleiche Richtung, nach oben oder unten, wodurch eine sogenannte “ferromagnetische Phase” entsteht. So bleiben Fotos und Notizen im Kühlschrank hängen.

Aber in Quanten-Spin-Flüssigkeiten sind die Elektronen in einem Dreiecksgitter eingeschlossen und bilden einen “dreieckigen Block”, der durch eine extreme Unordnung gekennzeichnet ist, die ihrer Anordnung widerspricht. Das Ergebnis ist eine verschränkte Wellenfunktion und keine magnetische Ordnung.

Bianchi erklärte: “Wenn ein drittes Elektron hinzugefügt wird, kann sich der Spin des Elektrons nicht ausrichten, da die beiden benachbarten Elektronen immer entgegengesetzte Spins haben müssen, was zu dem führt, was wir magnetische Frustration nennen.” „Dadurch entstehen Anregungen, die die Spinstörung und damit den flüssigen Zustand auch bei sehr tiefen Temperaturen aufrechterhalten.“

Wie haben sie also ein drittes Elektron hinzugefügt und eine solche Frustration verursacht?

Erstellen Sie einen Dreier

Betreten Sie den frustrierten Magneten von Ce2Zr2a7 Erstellt von Bianchi in seinem Labor. Zu seiner ohnehin schon langen Liste von Errungenschaften bei der Entwicklung fortschrittlicher Materialien wie Supraleiter können wir nun den „Master of Frustrated Magnet Art“ hinzufügen.

M2Zr2a7 Es ist ein Cerium-basiertes Material mit magnetischen Eigenschaften. “Das Vorhandensein dieser Verbindung war bekannt”, sagte Bianchi. „Unser Durchbruch war, es in einer einzigartig reinen Form herzustellen. Wir haben in einem Lichtofen geschmolzene Proben verwendet, um eine nahezu perfekte trigonometrische Anordnung der Atome zu erzeugen, und dann den Quantenzustand untersucht.“

Es war dieses nahezu perfekte Dreieck, das es Bianchi und seinem Team bei UdeM ermöglichte, magnetische Frustration in Ce zu erzeugen2Zr2a7. In Zusammenarbeit mit Forschern der McMaster Universities, Colorado, des Los Alamos National Laboratory und des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme in Dresden, Deutschland, maßen sie die magnetische Diffusion der Verbindung.

„Unsere Messungen zeigten eine überlappende Teilchenfunktion – und damit keine Bragg-Peaks – ein klares Zeichen für das Fehlen der klassischen magnetischen Ordnung“, sagte Bianchi. „Wir haben auch eine Spinverteilung mit ständig wechselnden Richtungen beobachtet, ein Merkmal von Spinflüssigkeiten und magnetischer Frustration. Dies weist darauf hin, dass sich das von uns geschaffene Material bei niedrigeren Temperaturen wie eine echte Spinflüssigkeit verhält.“

Vom Traum zur Realität

Nachdem diese Beobachtungen mit einer Computersimulation bestätigt worden waren, kam das Team zu dem Schluss, dass sie tatsächlich einen beispiellosen Quantenzustand erlebten.

„Die Bestimmung eines neuen Quantenzustands der Materie ist ein wahr gewordener Traum für jeden Physiker“, sagte Bianchi. „Unser Material ist revolutionär, weil wir als Erste zeigen, dass es tatsächlich als sich drehende Flüssigkeit erscheinen kann. Diese Entdeckung könnte die Tür zu neuen Ansätzen im Design von Quantencomputern öffnen.“

Frustrierter Magnet kurz gesagt

Magnetismus ist ein kollektives Phänomen, bei dem Elektronen in einem Material in die gleiche Richtung rotieren. Das alltägliche Beispiel ist der Ferromagnet, der seine magnetischen Eigenschaften der Ausrichtung der Zyklen verdankt. Benachbarte Elektronen können sich auch in entgegengesetzte Richtungen drehen. In diesem Fall drehen sich die Spins immer noch in wohldefinierte Richtungen, aber es gibt keine Magnetisierung. Frustrierte Magnete sind frustriert darüber, dass benachbarte Elektronen versuchen, ihren Spin in entgegengesetzte Richtungen zu lenken, und wenn sie sich in einem Dreiecksgitter wiederfinden, können sie sich nicht mehr auf eine gemeinsame, stabile Anordnung festlegen. Das Ergebnis: ein frustrierter Magnet.


Computerspionage bestätigt erste 3D-Quantenspinflüssigkeit


Mehr Informationen:
E. M. Smith et al, Argument für einen U(1)-Quantenspin-Flüssigkeits-Grundzustand in Dipol-Oktupol-Pyrochlor-Ce2Zr2a7UndX. Körperliche Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/ PhysRevX.12.021015

Präsentiert von der Universität Montreal

das Zitat: Unusual Quantum State of Matter First Observed (2022, 11. Mai) Abgerufen am 11. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-unusual-quantum-state.html

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